(57)【要約】高速かつ精度良く逆ピラミッド状のテクスチャー構造を形成するため、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとで単結晶シリコンを使用した光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する際に、パルスレーザとレーザビーム分岐手段を用いて、所望のピラミッド状凹部の底面となる正方形の対角線方向に複数のレーザ開口を加工し、各正方形の間のレーザ開口のピッチは前記対角線上におけるピッチよりピッチを大きくすることとした。
2011145131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコン基板を使用し、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとを用いて光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する光起電力装置の製造方法において、
前記レーザパターニングによって、複数の開口からなるレーザ開口部を形成する第一の工程と、
ウェットエッチングによって、前記各開口を基に正方形状底面を有し、前記シリコン基板表面からみて逆ピラミット状となる上記開口と同数の四角錐状凹部を形成した後、
上記開口と同数の四角錐状凹部を全て含み、当該四角錐状凹部の正方形状底面の複数の四角錐状凹部の数とほぼ同数倍のサイズの四角錐状凹部を形成する第二の工程と、
からなることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【請求項２】
単結晶シリコン基板を使用し、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとを用いて光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する光起電力装置の製造方法において、
前記レーザパターニングによって、複数の開口からなるレーザ開口部を形成する第一の工程と、
ウェットエッチングによって、前記各開口を基に正方形状底面を有し、前記シリコン基板表面からみて逆ピラミット状となる上記開口と同数の四角錐状凹部を形成した後、
上記開口と同数の四角錐状凹部を全て含み、当該四角錐状凹部の正方形状底面の対角線方向のうち全四角錐状凹部が一直線状に繋がる方向に、前記複数の四角錐状凹部の数とほぼ同数倍のサイズの四角錐状凹部を形成する第二の工程と、
からなることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【請求項３】
前記レーザパターニングに用いるレーザビームはパルスレーザであり、
当該レーザパターニングは、
前記パルスレーザと、
前記レーザビームを既定の幾何学的な周期構造を有するレーザビーム分岐パターンへ分岐するレーザビーム分割手段と、を用いて形成されたものであって、
複数のレーザ開口からなるレーザ開口部を形成するとともに、
前記レーザ開口部の各開口部間の最短のピッチは、前記レーザ開口部に属する任意の２個のレーザ開口間の最短のピッチより大きくしたものであることを特徴とする請求項２に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項４】
前記レーザビーム分岐パターンにおいて、近接するレーザビームの間の距離をレーザビーム集光径の２倍以上に設定することを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項５】
前記レーザビーム分岐パターンのピッチを一種類とし、レーザパルスのタイミングの調整によりレーザパターニングを行なうことを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ開口部の各レーザ開口間のピッチは、少なくとも２個からなる等ピッチで１組の開口を、少なくとも１組含むことを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項７】
前記レーザ開口部の各レーザ開口の形状が、サイズの大きい方向とサイズの小さい方向とを含む細長い形状であることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項８】
前記ウェットエッチングが、エッチング液の組成を変えた２種類以上のエッチングにより構成されることを特徴とする請求項１から７に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項９】
単結晶シリコン基板を使用し、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとを用いて光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する光起電力装置の製造装置において、
前記レーザパターニングによって複数の開口からなるレーザ開口部を形成するとともに、
ウェットエッチングによって、
前記各開口を基に正方形状底面を有し、前記シリコン基板表面からみて逆ピラミット状となる上記開口と同数の四角錐状凹部を形成した後、
上記開口と同数の四角錐状凹部を全て含み、当該四角錐状凹部の正方形状底面の対角線方向のうち全四角錐状凹部が一直線状に繋がる方向に、前記複数の四角錐状凹部の数とほぼ同数倍のサイズの四角錐状凹部を形成することを特徴とする光起電力装置の製造装置。
【請求項１０】
前記レーザパターニングに用いるレーザビームはパルスレーザであり、
当該レーザパターニングは、
前記パルスレーザと、
前記レーザビームを既定の幾何学的な周期構造を有するレーザビーム分岐パターンへ分岐するレーザビーム分割手段と、を用いて形成されたものであって、
複数のレーザ開口からなるレーザ開口部を形成するとともに、
前記レーザ開口部の各開口部間の最短のピッチは、前記レーザ開口部に属する任意の２個のレーザ開口間の最短のピッチより大きくしたものであることを特徴とする請求項９に記載の光起電力装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶シリコンを使用した光起電力装置の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐エッチング膜のレーザパターニングと、ウェットエッチングとによって結晶シリコン太陽電池の表面に反射率低減のための微小な凹凸構造（テクスチャー構造）を形成する技術が知られている。レーザパターニングにおいては、耐エッチング膜に多数の開口を高速度で形成するために、回折光学素子によってレーザを分岐する手法がとられる（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１４７０５９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】D. Niinobe, K. Nishimura, S. Matsuno, H. Fujioka, T. Katsura, T. Okamoto, T. Ishihara, H. Morikawa,S. Arimoto著、“Honeycomb-Structured Multi-Crystalline Silicon Solar Cells With 18.6% Efficiency Via Industrially Applicable Laser Process”、Proceedings of the 23rd EU PVSEC、２００８年、p1824-1828
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１や非特許文献１に開示される公知先行技術では、光起電力製造装置の反射率低減のため微細なテクスチャー構造を形成する際、耐エッチング膜に対するレーザ開口の一つに対して、テクスチャー構造の凹部一つが対応する。【０００６】
単結晶シリコンを使用した光起電力装置に対してピラミッド状のテクスチャーを形成するプロセスにおいては、公知先行例を使用すると、生産性の低下、テクスチャーのサイズの均一性の悪化という課題があった。これは、ピラミッド状テクスチャーを形成する異方性エッチングにおいては、レーザ開口の外接正方形を底面とする大きさのピラミッド状テクスチャーは短時間のエッチングで形成されるが、ピラミッド状テクスチャーの底面及び深さを拡大する速度は遅くなるためである。【０００７】
公知先行技術においては、すきまなくピラミッド状テクスチャーを形成するには、レーザ開口径を拡大するか、長時間のエッチングを実施することとなり、前者の場合は、レーザ開口プロセスの生産性低下及びレーザ開口がばらつくことによるテクスチャーサイズ均一性の悪化、レーザ高強度化により生じるウエハ中に残存するダメージによる特性の悪化が問題となり、後者の場合は、エッチングプロセスにおける生産性の低下と、長時間のエッチング中に変化する温度や液濃度等エッチング条件の影響が拡大することによるテクスチャーのサイズのばらつきが問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る光起電力装置の製造方法及び製造装置は、
耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとで単結晶シリコンを使用した光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する際に、パルスレーザとレーザビーム分岐手段を用いて、所望のピラミッド状凹部の底面となる正方形の対角線方向に複数のレーザ開口を加工し、各正方形の間のレーザ開口のピッチは前記対角線上におけるピッチよりピッチを大きくする
複数のレーザ開口から一つのテクスチャー構造の凹部を形成するため、レーザ開口の配置を少なくとも２種類のピッチのサイズからなるパターンで形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、複数の比較的小さなレーザ開口から一つのテクスチャー構造の凹部を形成するようにしたため、レーザ開口プロセスの生産性の低下及び開口形状のばらつきに起因するテクスチャーのサイズの均一性の悪化を抑制しつつ、短時間のエッチングによりピラミッド状テクスチャーをサイズのばらつきなく形成することが出来る、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一般的なテクスチャー構造の形成工程の一例を説明するための図である。
【図２】一般的なテクスチャー構造の形成工程の別の例を説明するための図である。
【図３】一般的なテクスチャー構造の形成工程の別の例を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるレーザ開口部のパターンの一例である。
【図５】本発明の実施の形態１におけるテクスチャーの形成工程の一例を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１におけるテクスチャーの形成工程の別の例を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態１におけるテクスチャーの形成工程の別の例を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態１におけるテクスチャーの形成工程の別の例を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態１におけるレーザ開口パターンを形成するためのレーザ加工装置の概略構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態１におけるレーザビーム分岐パターンを説明するための概略図である。
【図１１】本発明の実施の形態２におけるレーザビーム分岐パターンを説明するための概略図である。
【図１２】本発明の実施の形態３におけるレーザビーム分岐パターンを説明するための概略図である。
【図１３】本発明の実施の形態３におけるレーザパルスのタイミングを説明するための概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態におけるシリコン基板搬送手段上の単結晶シリコン基板の面方位を説明するための概略図である。
【図１５】本発明の実施の形態３におけるレーザ開口部のパターンを説明するための概略図である。
【図１６】本発明の実施の形態３におけるテクスチャー構造を説明するための概略図である。
【図１７】本発明の実施の形態４におけるレーザ開口部のパターンを説明するための概略図である。
【図１８】本発明の実施の形態５におけるレーザ開口部のパターンを説明するための概略図である。
【図１９】本発明の実施の形態５におけるレーザ開口パターンを形成するためのレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２０】本発明の実施の形態６におけるテクスチャーの形成工程を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明にかかる光起電力装置の製造方法および光起電力装置の製造装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１．
本実施の形態にかかる光起電力装置の製造方法及び製造装置において、単結晶シリコン太陽電池の表面（太陽光の入射側の面）にテクスチャー構造を形成するためのレーザ加工概要を説明する。ここで、テクスチャー構造とは単結晶シリコン基板の表面に設けた凹凸構造であり、入射した太陽光が基板表面の凹凸構造に多重反射しながら吸収されるため、反射光の抑制に効果的である。単結晶シリコン太陽電池の表面にテクスチャー構造を形成することで、表面での反射光を抑制でき、光電変換効率を向上することが可能である。
【００１２】
以下では、単結晶シリコン太陽電池の製造工程のうち、本発明が関連する工程である、単結晶シリコン太陽電池の表面にテクスチャー構造を形成する工程について詳細に説明する。
【００１３】
まず、一般的なテクスチャー構造の形成工程の流れについて図１から図３により説明する。図１〜図３は、一般的な結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の形成工程を説明するための模式図である。これらの図において、各図のaは光入射面から見た上面図、ｂは光入射面を上にした場合の断面図である。
【００１４】
テクスチャー構造の形成には、一般的に使用されているｐ型又はｎ型の単結晶シリコン基板を用い、その典型的な仕様は、（１００）面に沿ってスライスした比抵抗が０．１〜１０Ωｃｍ、厚さが２００〜４００μｍである。
また、レーザで電極のパターン等をパターニング可能なため、単結晶シリコン基板１の表面の全面に、ウェットエッチングに対して耐性を有する耐エッチング膜２を形成する。耐エッチング膜２としては、例えばシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）を用いる（図１のa）及び図１のｂ））。なお、耐エッチング膜２としては、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）の他にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）などもアルカリエッチングでのシリコンと膜のエッチング選択性が十分にあり、使用可能である。
【００１５】
次に、耐エッチング膜２に幾何学的な周期構造を有して整列したレーザ開口部３を形成する（図２）。レーザ開口部３は、（０１０）及び（００１）面に平行な方向に２０μｍピッチの正方格子上に形成する。
【００１６】
各レーザ開口部３の径は約φ７μｍとする。このレーザ開口部３の径は使用するレーザの強度とシリコン基板上の集光径で決定する。後述のようにレーザ開口部３を拡大すると、エッチング工程での生産性が向上する。
大きなレーザ開口部３を得るためには、一つのレーザ開口へ照射するレーザ強度を上げると同時に、シリコン基板上の集光径を拡大すれば良い。レーザ加工径を拡大するためには、レーザ集光径を拡大すれば良いが、レーザ強度をそのままとして、レーザ集光径を拡大すると、単位面積当たりの強度は低下する。単位面積当たりのレーザ強度が低下すると、レーザ照射による基板表面の温度上昇が不十分となり開口を形成できないためである。
【００１７】
レーザ加工においては、レーザ加工高速化のためレーザビームを分岐して同時多点にてレーザ加工を実施する方法が１つの有力な手段である。一方で、一つのレーザ開口へ照射するレーザ強度を上げるためには、レーザビームの分岐数を低減する必要があり、分岐数を低減するとレーザ加工工程における生産性が低下する。ここではレーザ加工の生産性の要請を最重視する立場から、これら２つの要因のトレードオフの結果として、レーザ開口の直径は約φ７μｍとした。
【００１８】
続いてレーザ開口部３を通じて単結晶シリコン基板１に対して水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液等のアルカリ性のエッチャントにより、異方性ウェットエッチングを行う。通常、異方性エッチングでは（１１１）面のエッチング速度が他の結晶方位のエッチング速度に比べて極めて遅い。このため、（１００）面にスライスされた単結晶シリコン基板に対してアルカリ水溶液により異方性エッチングを行うと、基板は（１１１）面に沿って異方性エッチングされ、（１１１）面に配向した４個の壁により形成され、断面がＶ字型のピラミッド状凹部４が得られる。耐エッチング膜２に形成したレーザ開口部３を通じて異方性エッチングを実施した場合、レーザ開口部３で露出したシリコンに対して、異方性エッチングが進むため、比較的短時間のエッチングで、レーザ開口部３の外接正方形を底面とし、（１１１）面に配向した４面の壁で形成したピラミッド状凹部が形成される（図３）。
【００１９】
上記のように（１１１）面に配向した面が出てピラミッド状凹部が形成されると、異方性エッチングにおいては、（１１１）面のエッチング速度が遅いことから、ピラミッドの底面となる正方形の辺の長さおよびピラミッドの高さで代表的に表現される凹部のサイズが拡大する速度が低下する。
【００２０】
一方、隣接するピラミッド状凹部の間の領域は、シリコン基板の表面が平坦であるため、反射率低減効果をほとんど有さない。よって全体として十分な反射率低減効果を有するテクスチャー構造を形成するためには、ピラミッド状凹部の間隔はピラミッドのサイズに比較して十分狭くする必要がある。
【００２１】
先に述べたように異方性エッチングによるピラミッド状凹部のサイズ拡大速度は著しく低下するため、ピラミッド状凹部の間隔を十分狭くするためには、長時間のエッチングを実施するか、レーザ開口部３の面積を拡大することが必要となる。
【００２２】
長時間のエッチングを実施した際には、エッチング工程の生産性が低下すること自体が問題となるが、その上、長時間のエッチングの間に変動するエッチング液の温度、濃度などのエッチング条件により、ピラミッド状凹部のサイズにばらつきが生じる。結果、基板の一部の領域ではピラミッド状凹部の間隔が広いままであるにもかかわらず、他の領域においては隣接するピラミッド状凹部がつながって稜線が平坦化され反射率低減効果が減ぜられるという問題も生じる。
【００２３】
一方で、レーザ開口部３の面積を拡大した場合は、先述のようにレーザ加工工程の生産性が低下する問題に加えて、レーザ開口部３の開口部径に関係する形状ばらつきに起因するピラミッド状凹部のサイズ不均一が生じる。レーザ開口部３はシリコン基板のレーザ入射側から見た時、大きさの揃った真円であることが理想だが、実際には、レーザ開口を実施するレーザ加工機の光学系に特有の収差やウエハの厚みばらつきのため、最大直径の約３０％の範囲内で直径がばらついたり、真円形状が楕円となることがある。こうしたレーザ開口部３の形状ばらつきに起因するピラミッド状凹部のサイズのばらつきにより、長時間のエッチングで生じたのと同様に反射率低減効果の減ぜられる問題がある。更に、レーザ開口部３の面積を拡大するためには、レーザの強度が必要となる。高強度のレーザを照射すると、レーザの照射によりシリコン基板で発生する熱によりシリコン基板の内部に発生するダメージが、エッチングで十分除去出来ずに残存するために、製造した光起電力装置の特性が悪化するという問題も生じる。
【００２４】
そこで本実施の形態においては、図４に示すように４個の開口からなるレーザ開口部３を１単位として、当該レーザ開口部３をできる限り稠密に基板上に形成する。この場合において、当該レーザ開口部３を基にして、図８のa）に示すような所望の一つのピラミッド状凹部が最終的に形成される(図８のａ)では、このようなピラミッド状凹部が計１６個形成されている)が、上記レーザ開口部３は上記ピラミッド状凹部の底面の正方形の対角線上に、これらの対角線同士は互いに一定の距離、離隔されて平行に形成される(図６のa))。
【００２５】
図４は本発明の実施の形態１におけるレーザ開口部のパターンを説明するための図である。一つのピラミッド状凹部を形成するための４つのレーザ開口は、近隣のピラミッド状凹部を形成するための４つのレーザ開口部３とはある一定の距離、離隔させて形成される。この距離(具体的には図６のa)で,２０μｍで示した距離)の制御によって、形成するピラミッド状凹部の間隔を制御可能である。つまり、レーザ開口部３のパターンはピラミッド状凹部の対角線を分割する比較的狭いピッチ(本発明の例では６μｍのピッチ)とピラミッド状凹部の間隔を決定するための比較的広いピッチ(本発明の例では２０μｍのピッチ)という、二種類のピッチから形成される。
【００２６】
本レーザ開口のパターンによるテクスチャー構造の形成手順を図５〜図８を用いて説明する。
一般的な方法の場合と同様、単結晶シリコン基板１の表面の全面に、ウェットエッチングに対して耐性を有する耐エッチング膜２としてシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）やシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を形成する（図５）。
【００２７】
続いて、耐エッチング膜２にレーザによりレーザ開口部３を形成する(図６)。
この時、図６のように、（１１１）面上に（００１）方向と４５度となる方向（後のエッチング工程で形成するピラミッド状凹部の底面となる正方形の対角線方向）に６μｍピッチで四つの開口を一組として形成し、ピラミッド状凹部の底面となる正方形の各辺の方向に、各組間を２０μｍピッチでレーザ開口部３を形成する。
【００２８】
一般的な方法の場合と比較して、シリコン基板１枚当りに形成するレーザ開口部３の個数は４倍に増加する。レーザ加工における生産性を低下させないためには、レーザビームの分岐数を増加させる必要があるが、このために、レーザビームの分岐数を増加させると、レーザ開口部３の４つある開口の１つを形成するために照射するレーザ強度が小さくなるため、膜を除去するには、シリコン基板上でレーザビームを小径に集光して、レーザ開口部３の径を小さく設定する必要がある。ここではφ４μｍとする。加工点数の増加に見合ったレーザ開口部３の小径化により、レーザ加工の生産性を低減させることなく、レーザ開口を形成することが出来る。開口サイズの代表値としては、φ4μm±1μmが目安となる。このような二種類のピッチよりなる周期パターンを形成する具体的な手段については後述する。
【００２９】
続いて、一般的な方法の場合と同様にレーザ開口部３を通じて単結晶シリコン基板１に異方性エッチングを実施する。短時間のエッチングで各レーザ開口部３の円形の形状に外接する外接正方形を底面としたピラミッド状凹部が形成される（図７）。
【００３０】
このピラミッド状凹部が形成された後は、ピラミッド状凹部のサイズ拡大は非常に緩やかに進行する。エッチング速度は低下するものの、レーザ開口プロセスにおいて形成した四つ一組のレーザ開口部３により形成されるピラミッド状凹部は間隔が十分に狭いため比較的短時間のエッチングで連結する。稜線が連結した領域においては、（１１１）面以外の面が露出するために再び高速にエッチングが進行する。結果として、図８に示したように四つのレーザ開口で形成される大きなピラミッド状凹部が形成される。エッチング時間は、一般的な方法を使用した場合と比較して約１／５であり、均一なピラミッド状凹部によるテクスチャー構造を形成可能である。テクスチャー構造形成後、必要があれば耐エッチング膜２を除去するエッチングを実施する。
【００３１】
次に、図６のようなレーザ開口パターンを形成するための具体的手段について、説明する。図９にレーザ開口パターンを形成するためのレーザ加工装置の概略構成を示す。本レーザ加工装置は、シリコン基板搬送手段５と、レーザ発振器６と、レーザビーム強度調整手段７と、レーザビーム形状調整手段８と、一枚若しくは複数枚の導光ミラー９と、レーザビーム分割手段１０と、レーザビーム集光手段１１とを備える。
【００３２】
シリコン基板搬送手段５は、被加工面を上にした状態で、表面に耐エッチング膜(図示せず)を形成した単結晶シリコン基板１を保持するとともに、単結晶シリコン基板１をレーザビームの集光面上に沿って移動させる。
【００３３】
レーザ発振器６は、レーザビームを出射する。レーザ発振器６は、例えばその代表的な繰り返し周波数として４０ｋＨｚのＱスイッチＬＤ励起Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの２倍波（波長５３２ｎｍ）を使用することができる。３倍波や４倍波などの紫外レーザを使用すると、耐エッチング膜及びシリコンでの吸収係数が高いため、より小径で高品位な加工が可能であるが、レーザ強度が低下する上、大気中の不純物の影響により光学素子の劣化の問題が生じる。メリット・デメリットを鑑みて適切な波長を選択すればよい。ここでは、レーザビーム強度調整手段７は、レーザ強度を自動または手動で減衰させて、加工に適したレーザ強度とするための手段である。
【００３４】
レーザビーム形状調整手段８は、レーザビームの形状を真円とするための複数の円筒レンズの組み合わせと、所望のビーム径及びビーム発散角度とするための複数の球面レンズの組み合わせとで構成される。
【００３５】
導光ミラー９は、図９中ではレーザビーム形状調整手段８およびレーザビーム分割手段１０の間に１枚が配置されているが、レーザ加工機のスペースに合せてレーザビームを導光するために一枚もしくは複数枚適宜配置する。
【００３６】
レーザビーム分割手段１０は、レーザビームを、図１０に示すような既定の幾何学的な周期構造を有するレーザビーム分岐パターンへ分岐する。図１０はレーザビーム分岐パターンを示す概略図である。図１０中では分岐されるレーザビームの各中心を黒丸で示した。レーザビーム分岐パターンは、６μｍピッチで四つ一組の分岐パターン（図１０中に”Ａ”で示した）を、６μｍピッチの分岐パターンの整列方向と４５度の角度をなす方向（図１０中にＹ方向として示した）に２０μｍピッチで９０組整列したパターンとする。
【００３７】
レーザビーム分割手段１０としては、例えば回折光学素子を使用することができる。他のレーザビーム分割手段として、例えば、複数開口のマスクも使用出来るが、ビームの均一性及び効率の点から回折光学素子を使用することが望ましい。
【００３８】
レーザビーム分割手段１０で分割したレーザビームを、レーザビーム集光手段１１によって単結晶シリコン基板１上に集光する。レーザ発振器６を４０ｋＨｚにてパルス発振させると同時に、単結晶シリコン基板搬送手段５により、図９中でｘ方向として示した方向に８００ｍｍ／秒で単結晶シリコン基板１を移動させると、単結晶シリコン基板１上ではレーザビームは８００ｍｍ÷４０ｋＨｚ＝２０μｍピッチで照射されることになり、図６のようなレーザ開口部３のパターンを形成することが出来る。ここで図９のｙ方向、ｘ方向はそれぞれ、図１０でのＸ方向、Ｙ方向と一致させている。
【００３９】
ここでは、単結晶シリコン基板１上でレーザビームを走査する際に、単結晶シリコン基板１を単結晶シリコン基板搬送手段５によって移動させたが、ガルバノミラーのようなレーザビーム偏向手段と、集光手段としてFθレンズを使用することで、レーザビーム分割手段によって分割されたレーザビームを単結晶シリコン基板１に対して走査することでも同様の効果を得ることが出来る。一般的に、レーザビーム走査による方法は、加工対象を搬送手段によって移動するよりも高速な走査が可能であり、レーザ強度と繰り返し周波数を適宜選択すれば、レーザ加工の生産性を向上させることが出来る。
【００４０】
なお、上記の説明で示した数値は本発明を実現できる典型的な数値であり、本発明の効果は、これらの数値を用いた場合に限定されないことは言うまでもなく、例えば６μｍに代えて１２μｍ、２０μｍに代えて４０μｍであってもよい。
【００４１】
実施の形態２．
本実施の形態は、単結晶シリコン太陽電池の表面に、耐エッチング膜の形成、耐エッチング膜のレーザ開口、ウェットエッチングにより、単結晶シリコン太陽電池の表面に太陽光の反射率を低減する目的で、逆ピラミッド形状の凹凸構造を形成するものであるが、実施の形態１とレーザ加工の工程のみ異なるため、ここでは、レーザ加工の工程を中心に述べる。
【００４２】
実施の形態１においては、レーザビーム分岐パターンは図１０に示したように、最も狭いピッチを６μｍに設定する。それに対応して、単結晶シリコン基板１上のレーザビームの集光径をφ４μｍに設定する。このようにレーザビーム分岐パターンの最も狭いピッチがレーザビームの集光径の２倍以下となるような場合、隣接するレーザビーム同士が干渉して、実際に集光したレーザビームのビームパターンが楕円など真円から大きく外れ、レーザ開口部３の形状が悪化するという問題が生じることがある。
【００４３】
本実施の形態におけるレーザビーム分岐パターンを図１１に示す。本レーザビーム分岐パターンにおいては、最近接の点間の距離は１０μｍである。単結晶シリコン基板１上のレーザビーム集光径はφ４μｍで、最近接の点間の距離は２倍以上となり干渉によるレーザ開口の形状悪化は問題にならない。
【００４４】
本レーザビーム分岐パターンによりＸ方向に２０μｍピッチで送ると、図６のa）と同様のレーザ開口パターンを加工可能である。図９に示したレーザ加工機を使用して本加工を実施するには、レーザ繰り返し周波数を４０ｋHz、シリコン基板搬送手段５による単結晶シリコン基板１の移動速度を８００ｍｍ／秒とすればよい。
【００４５】
エッチング工程以下は実施の形態１と同様に実施すれば、図８に示したようなピラミッド状凹部によるテクスチャー構造を形成できる。
【００４６】
なお、上記の説明で示した数値は本発明を実現できる典型的な数値であり、本発明の効果は、これらの数値を用いた場合に限定されないことは言うまでもない。
【００４７】
実施の形態３．
本実施の形態は、実施の形態１とレーザ加工の工程のみ異なるため、ここでは、レーザ加工の工程を中心に述べる。
実施の形態１及び実施の形態２においては、レーザビーム分岐パターンは図１０および図１１に示したように二種類のピッチで形成されていた。レーザビーム分岐のための回折光学素子の設計・製造においては、二種類のピッチが混在する場合、その最大公約数となるピッチの格子を設定し、格子上にレーザビームを配置するか、しないかで二種類のピッチを表現する。例えば１２μｍピッチと、１８μｍピッチが混在する場合、６μｍピッチの格子を設定し、一つおきとして１２μｍピッチを二つおきとして１８μｍピッチを表現することになる。このピッチが細かいと回折光学素子の表面形状のピッチが拡大するために、回折光学素子へのレーザ入射ビームを大きく設定する必要がある。
【００４８】
集光レンズにfθレンズを使用する場合には、レーザ入射ビームが大きくなると、レンズ周辺部をこのビームが通過し、このビームを近軸光線として扱えなくなるので、設計・製造が困難になるという問題が生じる。
【００４９】
そこで、本実施の形態においては、実施の形態１および２から、レーザビーム分岐パターンおよびレーザパルスのタイミング、シリコン基板搬送手段５上での単結晶シリコン基板１の面方位を変更する。
【００５０】
図１２は本発明の実施の形態３におけるレーザビーム分岐パターンを説明するための概略図である。本レーザビーム分岐パターンにおいては、Ｙ方向に２８μｍピッチで６８個のレーザビームとし、Ｘ方向に１４μｍピッチで配置した二列のレーザビームを互いにＹ方向に１４μｍずらす。
【００５１】
実施の形態３におけるレーザパルスのタイミングを説明するための概略図を図１３に示す。７．５μ秒間隔の四つのレーザパルスを一組とする。この一組を３５μ秒ピッチでレーザパルスを発生し、図１３のようなタイミングのレーザパルス列とする。
【００５２】
シリコン基板搬送手段５上の単結晶シリコン基板１の面方位は、単結晶シリコン基板１の四辺に対して、（０１０）面と（００１）面が４５度となるように配置する。図１４に本発明の実施の形態におけるシリコン基板搬送手段５上の単結晶シリコン基板１の面方位を示す。
【００５３】
ここで、図９に示すｘ方向に移動する速度は、実施の形態１および２と同様に８００ｍｍ／秒とする。
図１２のレーザビーム分岐パターンで、図１３のレーザパルスタイミングとして、ｘ方向に８００ｍｍ／秒で単結晶シリコン基板１を移動したときに、加工されるレーザ開口部３のパターンを図１５に示す。図１５は本発明の実施の形態３におけるレーザ開口部のパターンを説明するための概略図である。レーザ開口部３の径は、φ４μｍとなるように、シリコン基板上のレーザ集光径とレーザ強度を調整する。
【００５４】
本実施の形態によって得られたレーザ開口部３に異方性エッチングを実施した結果、図１６のようなピラミッド状凹部によるテクスチャー構造を形成できる。図１６は、本発明の実施の形態３におけるテクスチャー構造を説明するための概略図である。
【００５５】
なお、上記の説明で示した数値は本発明を実現できる典型的な数値であり、本発明の効果は、これらの数値を用いた場合に限定されないことは言うまでもない。
【００５６】
実施の形態４．
本実施の形態は、実施の形態１とレーザ加工の工程のみ異なるため、ここでは、レーザ加工の工程を中心に述べる。図１７に実施の形態４におけるレーザ開口のパターンを示す。実施の形態１乃至実施の形態３においては、レーザ開口部は形成すべき四角錐状凹部の底面となる正方形の対角線上に形成したレーザ開口により構成した。このように、一本の対角線上にレーザ開口を形成することで、小面積のレーザ開口で短時間のエッチングにより、所望のテクスチャー形状の対角線上を結ぶ凹部を得ることが出来る。単純化して考えると、レーザ加工速度は、レーザ開口の総面積に反比例するため、小面積のレーザ開口では、速くできる。
【００５７】
一方で、このように対角線上にレーザ開口を形成すると、レーザ開口を形成した対角線と直交する対角線方向に凹部を拡大するためのエッチング時間は、ある程度の長さが必要となる。エッチングの要求タクトが短く、レーザ加工の要求タクトに対してレーザ出力の余裕がある場合は、図１７のようにレーザ開口を対角線上以外の場所にも形成することで、凹部を拡大する時間を低減可能であるため、エッチング時間を短縮することが出来る。
【００５８】
実施の形態５．
本実施の形態は、実施の形態１とレーザ加工の工程のみ異なるため、ここでは、レーザ加工の工程を中心に述べる。図１８に実施の形態５におけるレーザ開口のパターンを示す。実施の形態１乃至実施の形態４においては、レーザ開口の形状を真円としていた。それに対して本実施の形態では、レーザ開口の形状を楕円に設定する。レーザ開口の形状が真円である図４と比較すると明らかなように、レーザ開口の面積を低減可能である。レーザ開口の面積を低減することと、レーザ加工のタクトを向上させることはほぼ等価である。
これは以下の理由による。
【００５９】
レーザ開口の面積を小さくすると、レーザビームをより小さい領域に集光して加工することになるため、同一のレーザパワー、同一のレーザビーム分岐数の時、単位面積当たりのレーザエネルギー密度を高くすることが出来る。耐エッチング膜の加工に必要なレーザエネルギー密度を加工レーザエネルギー密度とすると、同一のレーザパワーで、より多くのレーザビーム分岐数とすることが出来る。レーザビーム分岐数を増加することにより、レーザ加工のタクトを向上可能である。
【００６０】
図１９は本発明の実施の形態５におけるレーザ開口パターンを形成するためのレーザ加工装置の概略構成図である。レーザ開口の形状を楕円にするための楕円光学系１３は円筒面レンズ、プリズムを使用することが出来る。
【００６１】
実施の形態６．
本実施の形態は、実施の形態１とウェットエッチングの工程のみ異なるため、ここでは、ウェットエッチングの工程を中心に述べる。実施の形態１においては、ウェットエッチングは、異方性のアルカリエッチングのみであった。それに対して、本実施の形態では、ウェットエッチングを２段階以上の工程に分割する。ウェットエッチング工程としてまず混酸などによる等方的なエッチングを実施して、その後、異方性のアルカリエッチングを実施する。異方性エッチングは（１１１）面が出ると凹部を拡大するエッチング速度は著しく低下するため、（１１１）面が出てから隣接したレーザ開口を基点とした小さなピラミッド凹部がつながるまでにエッチング時間がかかる。それに対して、等方的エッチングにおいては、結晶方位の影響を受けず図２０のａ）及び図２０のｂ）に示すようにおわん状の凹部が形成され、比較短時間で隣接したレーザ開口を基点とした凹部をつなげることが出来る。図２０のａ）は、太陽電池セルを受光面側より見た図、図２０のｂ）は、太陽電池セルの断面図である。よってエッチング時間を短縮することが可能である。また、更に異方性のアルカリエッチング実施後にＩＰＡ等の添加材を入れたアルカリにてエッチングすることで、隣接したピラミッド状凹部がつながった時、ピラミッド状凹部の境界線がエッチングにより崩れることを防止することが出来る。
【符号の説明】
【００６２】
１  単結晶シリコン基板、２  耐エッチング膜、３  レーザ開口部、４  ピラミッド状凹部、５  シリコン基板搬送手段、６  レーザ発振器、７  レーザ強度調整手段、８  レーザビーム形状調整手段、９  導光ミラー、１０  レーザビーム分割手段、１１  レーザビーム集光手段、１２  レーザパルス、１３  楕円光学系、１４  おわん状凹部。
【図１】
2011145131.tif 000003
【図２】
2011145131.tif 000004
【図３】
2011145131.tif 000005
【図４】
2011145131.tif 000006
【図５】
2011145131.tif 000007
【図６】
2011145131.tif 000008
【図７】
2011145131.tif 000009
【図８】
2011145131.tif 000010
【図９】
2011145131.tif 000011
【図１０】
2011145131.tif 000012
【図１１】
2011145131.tif 000013
【図１２】
2011145131.tif 000014
【図１３】
2011145131.tif 000015
【図１４】
2011145131.tif 000016
【図１５】
2011145131.tif 000017
【図１６】
2011145131.tif 000018
【図１７】
2011145131.tif 000019
【図１８】
2011145131.tif 000020
【図１９】
2011145131.tif 000021
【図２０】
2011145131.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月22日(2012.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコン基板を使用し、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとを用いて光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する光起電力装置の製造方法において、
前記レーザパターニングによって、複数の開口からなるレーザ開口部を形成する第一の工程と、
前記ウェットエッチングによって、前記複数の開口の各々を基に正方形状底面を有し、前記単結晶シリコン基板表面からみて逆ピラミッド状となる前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を形成した後、
前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を全て含み、当該四角錐状凹部の正方形状底面の複数の四角錐状凹部の数とほぼ同数倍のサイズの四角錐状凹部を形成する第二の工程と、
からなることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【請求項２】
単結晶シリコン基板を使用し、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとを用いて光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する光起電力装置の製造方法において、
前記レーザパターニングによって、複数の開口からなるレーザ開口部を形成する第一の工程と、
前記ウェットエッチングによって、前記複数の開口の各々を基に正方形状底面を有し、前記単結晶シリコン基板表面からみて逆ピラミッド状となる前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を形成した後、
前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を全て含み、当該四角錐状凹部の正方形状底面の対角線方向のうち全ての四角錐状凹部が一直線状に繋がる方向に、前記複数の四角錐状凹部の数とほぼ同数倍のサイズの四角錐状凹部を形成する第二の工程と、
からなることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【請求項３】
前記レーザパターニングに用いるレーザビームはパルスレーザであり、
当該レーザパターニングは、
前記パルスレーザと、
前記レーザビームを既定の幾何学的な周期構造を有するレーザビーム分岐パターンへ分岐するレーザビーム分割手段と、を用いて形成されたものであって、
複数のレーザ開口からなるレーザ開口部を形成するとともに、
前記レーザ開口部の各開口部間の最短のピッチは、前記レーザ開口部に属する任意の２個のレーザ開口間の最短のピッチより大きくしたものであることを特徴とする請求項２に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項４】
前記レーザビーム分岐パターンにおいて、近接するレーザビームの間の距離をレーザビーム集光径の２倍以上に設定することを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項５】
前記レーザビーム分岐パターンのピッチを一種類とし、レーザパルスのタイミングの調整によりレーザパターニングを行なうことを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ開口部の各レーザ開口間のピッチは、少なくとも２個からなる等ピッチで１組の開口を、少なくとも１組含むことを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項７】
前記レーザ開口部の各レーザ開口の形状が、サイズの大きい方向とサイズの小さい方向とを含む細長い形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項８】
前記ウェットエッチングが、エッチング液の組成を変えた２種類以上のエッチングにより構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項９】
単結晶シリコン基板を使用し、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとを用いて光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する光起電力装置の製造装置において、
前記レーザパターニングによって複数の開口からなるレーザ開口部を形成するとともに、
前記ウェットエッチングによって、
前記複数の開口の各々を基に正方形状底面を有し、前記単結晶シリコン基板表面からみて逆ピラミッド状となる前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を形成した後、
前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を全て含み、当該四角錐状凹部の正方形状底面の対角線方向のうち全ての四角錐状凹部が一直線状に繋がる方向に、前記複数の四角錐状凹部の数とほぼ同数倍のサイズの四角錐状凹部を形成することを特徴とする光起電力装置の製造装置。
【請求項１０】
前記レーザパターニングに用いるレーザビームはパルスレーザであり、
当該レーザパターニングは、
前記パルスレーザと、
前記レーザビームを既定の幾何学的な周期構造を有するレーザビーム分岐パターンへ分岐するレーザビーム分割手段と、を用いて形成されたものであって、
複数のレーザ開口からなるレーザ開口部を形成するとともに、
前記レーザ開口部の各開口部間の最短のピッチは、前記レーザ開口部に属する任意の２個のレーザ開口間の最短のピッチより大きくしたものであることを特徴とする請求項９に記載の光起電力装置の製造装置。
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月25日(2013.3.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコン基板を使用し、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとを用いて光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する光起電力装置の製造方法において、
前記レーザパターニングによって、複数の開口からなるレーザ開口部を形成する第一の工程と、
前記ウェットエッチングによって、前記複数の開口の各々を基に正方形状底面を有し、前記単結晶シリコン基板表面からみて逆ピラミッド状となる前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を形成した後、
前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を全て含み、当該四角錐状凹部の正方形状底面の複数の四角錐状凹部の数とほぼ同数倍のサイズの四角錐状凹部を形成する第二の工程と、
からなることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【請求項２】
単結晶シリコン基板を使用し、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとを用いて光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する光起電力装置の製造方法において、
前記レーザパターニングによって、複数の開口からなるレーザ開口部を形成する第一の工程と、
前記ウェットエッチングによって、前記複数の開口の各々を基に正方形状底面を有し、前記単結晶シリコン基板表面からみて逆ピラミッド状となる前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を形成した後、
前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を全て含み、当該四角錐状凹部の正方形状底面の対角線方向のうち全ての四角錐状凹部が一直線状に繋がる方向に、前記複数の四角錐状凹部の数とほぼ同数倍のサイズの四角錐状凹部を形成する第二の工程と、
からなることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【請求項３】
前記レーザパターニングに用いるレーザビームはパルスレーザであり、
当該レーザパターニングは、
前記パルスレーザと、
前記レーザビームを既定の幾何学的な周期構造を有するレーザビーム分岐パターンへ分岐するレーザビーム分割手段と、を用いて形成されたものであって、
複数のレーザ開口からなるレーザ開口部を形成するとともに、
前記レーザ開口部の各開口部間の最短のピッチは、前記レーザ開口部に属する任意の２個のレーザ開口間の最短のピッチより大きくしたものであることを特徴とする請求項２に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項４】
前記レーザビーム分岐パターンにおいて、近接するレーザビームの間の距離をレーザビーム集光径の２倍以上に設定することを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項５】
前記レーザビーム分岐パターンのピッチを一種類とし、レーザパルスのタイミングの調整によりレーザパターニングを行なうことを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ開口部の各レーザ開口間のピッチは、少なくとも２個からなる等ピッチで１組の開口を、少なくとも１組含むことを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項７】
前記レーザ開口部の各レーザ開口の形状が、サイズの大きい方向とサイズの小さい方向とを含む細長い形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項８】
前記ウェットエッチングが、エッチング液の組成を変えた２種類以上のエッチングにより構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光起電力装置の製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月3日(2013.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコン基板を使用し、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとを用いて光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する光起電力装置の製造方法において、
前記レーザパターニングによって、複数の開口からなるレーザ開口部を形成する第一の工程と、
前記ウェットエッチングによって、前記複数の開口の各々を基に正方形状底面を有し、前記単結晶シリコン基板表面からみて逆ピラミッド状となる前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を形成した後、
前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を全て含み、当該四角錐状凹部の正方形状底面の複数の四角錐状凹部の数とほぼ同数倍のサイズの四角錐状凹部を形成する第二の工程と、
からなることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【請求項２】
単結晶シリコン基板を使用し、耐エッチング膜のレーザパターニングとウェットエッチングとを用いて光起電力装置表面に反射防止テクスチャーを形成する光起電力装置の製造方法において、
前記レーザパターニングによって、複数の開口からなるレーザ開口部を形成する第一の工程と、
前記ウェットエッチングによって、前記複数の開口の各々を基に正方形状底面を有し、前記単結晶シリコン基板表面からみて逆ピラミッド状となる前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を形成した後、
前記複数の開口と同数の四角錐状凹部を全て含み、当該四角錐状凹部の正方形状底面の対角線方向のうち全ての四角錐状凹部が一直線状に繋がる方向に、前記複数の四角錐状凹部の数とほぼ同数倍のサイズの四角錐状凹部を形成する第二の工程と、
からなることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【請求項３】
前記レーザパターニングに用いるレーザビームはパルスレーザであり、
当該レーザパターニングは、
前記パルスレーザと、
前記レーザビームを既定の幾何学的な周期構造を有するレーザビーム分岐パターンへ分岐するレーザビーム分割手段と、を用いて形成されたものであって、
複数のレーザ開口からなるレーザ開口部を形成するとともに、
前記レーザ開口部の各開口部間の最短のピッチは、前記レーザ開口部に属する任意の２個のレーザ開口間の最短のピッチより大きくしたものであることを特徴とする請求項２に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項４】
前記レーザビーム分岐パターンにおいて、近接するレーザビームの間の距離をレーザビーム集光径の２倍以上に設定することを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項５】
前記レーザビーム分岐パターンのピッチを一種類とし、レーザパルスのタイミングの調整によりレーザパターニングを行なうことを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ開口部の各レーザ開口間のピッチは、少なくとも２個からなる等ピッチで１組の開口を、少なくとも１組含むことを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項７】
前記レーザ開口部の各レーザ開口の形状が、サイズの大きい方向とサイズの小さい方向とを含む細長い形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項８】
前記ウェットエッチングが、エッチング液の組成を変えた２種類以上のエッチングにより構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光起電力装置の製造方法。
【国際調査報告】
2011145131.tif 000023
2011145131.tif 000024
2011145131.tif 000025
2011145131.tif 000026